天然气有利勘探区预测分析

2024测井解释

20世纪90年代以来,由于引进并完善了天然气生成和运聚成藏理论,以及地震和钻井技术的进步,从而打开了岩性、碳酸盐岩古隆起、前陆盆地等含气领域,发现和探明了五百梯、克拉2、乌审旗和涩北二等大气田。

至21世纪,天然气工业进入了更为快速的大发展时代,在生烃理论、勘探技术和工程技术方面取得了重要进展,促进了塔中碳酸盐岩气藏、高石梯—磨溪碳酸盐岩气藏、克深前陆深层气藏、苏里格致密气、威远页岩气和鄂东煤层气等大气田的发现,以及新区新领域的突破,有力推动了天然气工业大发展。

与此同时,致密气、页岩气、天然气水合物及煤层气等这些独具特色的气藏的发现,又难以用传统的成藏理论进行解释,在这种情况下,急需对天然气地质理论进行再认识。本文通过对中国典型大气田形成与分布特征的研究,阐明了天然气的分布规律,提出了大气田潜在勘探领域与有利区带。

1、天然气聚集与分布特征

众多地质学家针对天然气成藏与分布做过大量研究,提出“源控论”、“古隆起论”和“区域封盖论”等理论,有效地指导了天然气勘探。近期随着非常规天然气实现工业开采,已突破了对气藏的传统认识。笔者通过对天然气运移、分布和聚集特征的系统研究,认为宏观上天然气分布具有以下几个典型特征。

1.1 旋回性

中国大陆长期处于全球动力学体系复合、交会部位,具有多块体拼合、长期多阶段发展的特点,发育了元古宇—古生界海相克拉通和海陆过渡相坳陷、中生界陆相断陷、新生界陆相断陷及被动大陆边缘前陆等一系列盆地,不同类型盆地的气藏类型及其分布有较大差异,整体上天然气的分布具有明显旋回性,可归纳为4大旋回(如下图)。

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(1)深埋海盆聚气旋回中国中西部元古宇—古生界海相克拉通盆地由于埋深较大,海相泥页岩干酪根和古油藏原油达到裂解条件,特别是古油藏,在深埋增温条件下,可以大量生成裂解气,具有优越的供气条件。同时,由于碳酸盐岩形成早,历经构造运动频繁,丰富多样的溶蚀缝洞体系可成为储集空间,形成良好储集条件,往往形成碳酸盐岩残丘风化壳气藏和层间岩溶气藏。

(2)海陆过渡满盆聚气旋回古生代晚期古特提斯洋扩张与闭合及西伯利亚大陆向南增生,导致中国大陆形成大面积海陆过渡相坳陷,具有三角洲砂体和沼泽煤系烃源岩大面积叠置分布的特征,为天然气的生成和聚集提供了良好条件,并且由于砂岩面积大,叠加连续分布,大规模的致密砂岩毛细管阻力较大,有效地限制了天然气的快速散失,形成了大面积致密砂岩气藏。

(3)反转构造聚气旋回该旋回是盆地演化与构造演化双重控制的天然气分布旋回。中生代早期主要为断陷时期,至中生代晚期,中国西部和北部地区受新特提斯洋扩张和关闭及西伯利亚板块南移影响,导致反转构造发育,湖沼交替发育,为气藏的形成奠定了良好的生气和储集物质基础,并与反转构造形成良好配置,为天然气的聚集提供了优越的地质条件(以形成构造气藏为主)。

(4)断陷湖沼背斜聚气旋回新生代中国大陆西抬东降,在东部发育了丰富的断陷湖盆,其中,一些小型断陷形成湖沼交替沉积环境,煤系烃源岩发育,同时,一些地区烃源岩埋藏较浅,生物成因气比较丰富,总体上具有供气条件,但由于断裂发育容易造成天然气散失,往往只是背斜带具有捕获大量天然气形成大气田的条件。

综合对比可知,不同的旋回主要勘探方向具有较大差异。深埋海盆聚气旋回,具有成藏早、活动时间长、以裂解气为主的特征,天然气成藏主要受古隆起和古斜坡控制,古隆起和古斜坡是重要的勘探方向;海陆过渡满盆地聚气旋回和反转构造聚气旋回煤系烃源岩供气充足,储集层和圈闭丰富,沉积盖层较厚,保存条件较好,具备满盆立体勘探的条件;断陷湖沼背斜聚气旋回断陷发育,其中,东海大陆架湖沼煤系烃源岩形成大量的煤型气,中西部咸化湖相泥岩形成的丰富生物气,是天然气勘探的重要领域。

1.2 序列性

在每一旋回内,天然气生成、运移、聚集直到成藏具有一定序列性。由于不同地区地质条件的千差万别,使得天然气运移、聚集及成藏3个环节,往往因地质条件的限制而缺失某一环节,形成不同的组合模式。从目前勘探资料来看,主要具有生成-聚集、生成-运移-聚集、生成-运移-聚集-成藏3种模式。

(1)生成-聚集成藏模式主要为烃源岩自生自储模式。

该模式是指岩层自己生烃和自己存储,与传统的同一层系内源岩生烃砂岩存储的自生自储模式有一定差异。天然气自生成以后不是全部参加运移,因煤层和页岩发育丰富的微孔隙-微裂缝,具有较强的吸附能力,可以吸附大量天然气,这部分天然气直接聚集保存下来,即所谓的煤层气和页岩气,表现为生成和聚集为一体,即生成-聚集模式。

(2)生成-运移-聚集成藏模式为天然气通过初次运移进入邻近储集层保存下来的模式。

天然气自烃源岩生成后向邻近储集层的运移,称为初次运移。如果邻近烃源岩的储集层有一定的阻隔作用,天然气初次运移进入储集层聚集过程中就表现出较高的含气丰度,并长期保存下来达到工业开采程度,该类天然气保留下来方式明显区别于传统概念的各类圈闭控制的气藏,只是由于聚集量不断增大,散失量相对较低,最终达到工业价值,表现为生成-运移-聚集模式。现今在鄂尔多斯盆地发现的上古生界大气田就为该序列产物。

(3)生成-运移-聚集-成藏模式为天然气通过初次运移和二次运移进入圈闭保存下来的模式。

天然气如果在以上两套系列不能形成有效保存,将继续沿渗透性岩层、断裂进行长距离运移,众多地质家把该阶段的运移,即进入储集层以后的一切运移都称为二次运移。二次运移过程中单个分子逐渐汇聚为体积流,最终形成连续的气流进行运移。由于运移路径的渗透性比较好,只有遇到良好的圈闭,才能保存下来。现今发现的断裂-背斜构造和不整合-古隆起等大气田就为该序列产物。

综上所述,天然气自生成以后历经烃源岩吸附、地层流体溶解、邻近烃源岩储集层聚集及远源有效输导-圈闭成藏的复杂过程,不同组合模式皆有可能保存大量天然气,形成不同的聚集成藏序列。受盆地类型、演化等成藏条件控制,不同聚集序列的地质环境不同(如下图)。

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生成-聚集成藏模式以形成煤层气和页岩气为主,由于是烃源岩内发生的行为,只要盆地内存在烃源岩,在各个类型盆地及各个演化结构中皆有发育;生成-运移-聚集模式受近源大面积致密砂岩控制,往往形成于持续深埋和残留深埋的海陆过渡盆地和湖沼盆地中;生成-运移-聚集-成藏模式受有效圈闭和输导通道控制,可形成背斜、岩性、地层、火山岩等气藏,可以形成于各种类型盆地,但由于该模式形成的气藏与优势输导通道和良好物性的储集层相关,油气运移能力较强,在多期构造运动的情况下容易逃逸,所以在长期抬升盆地发育较少,在残留深埋盆地和持续深埋盆地较为发育。其中持续深埋的海陆过渡盆地和湖沼盆地,由于大面积致密砂岩和局部构造圈闭同时发育,表现为生成-运移-聚集-成藏模式与生成-运移-聚集成藏模式共存。

1.3 溯源性

本文提出的溯源性,不等同于以前的源控论。源控论是指油气自烃源岩生成后,就近聚集在生烃区或其邻近地区,简称为“源控论”。溯源性是指天然气从盆地边缘趋向源区的聚集效率变高,资源基数不断扩大。例如,利用生烃潜力法,对几类典型烃源岩进行了残留烃实验研究,烃源岩残留烃最高可达40%(如下表),多数为10%~20%,表明源区聚集量较大。

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另外通过对苏里格古生界近源致密砂岩聚集系数(资源量与生烃量的比值)研究,最大聚集系数可达5%左右。依据苏里格、榆林目前探明天然气储量换算为储量丰度(0.7×108~0.9×108 m3/km2),再依据这些地区的天然气生气强度(21.5×108~26.5×108m3/km2),可推算出其聚集系数为2.0%~4.7%,远远高于离烃源岩较远地区的聚集系数,表明天然气聚集效率从盆地缘趋向生烃灶具有变高趋势。

近期生气机理探究取得重要新进展,煤系烃源岩在镜质体反射率为2.5%~5.0%时,生气量占总生气量20%,湖相和海相泥岩在这一阶段的生气量占总生气量的10%,同时,原油裂解生气的地温也延伸到了230℃,扩大了裂解生气范围。这些认识为深层勘探增强了信心,同时,也为源区-近源领域的勘探提供了重要依据。

1.4 平衡性

众所周知,由于天然气的分子较小,可以通过很微小的孔喉和孔隙,散失速率较快,只有存在优质区域盖层封盖条件,才能保证天然气供气量大于散失量或者供气和散失达到动态平衡,这就是早期地质家提出的区域封盖论和动态运聚论的核心观点。通过对已发现大气田的盖层研究认为,应该深化一点平衡性的地质认识。不仅仅是在供气和散失达到动态平衡基础上成藏,一些地区是运移动力与阻力平衡状态成藏。例如苏里格致密砂岩气藏,在地层条件下,苏里格地区盒8段和山1段储集层毛细管阻力主要分布在0.15~2.0MPa,而苏里格地区气层连续气柱高度分布在10~35m,一般不超过40m,计算盒8段和山1段气藏天然气向上浮力在0.08~0.28MPa. 气体浮力难以有效克服储集层毛细管阻力,运移和阻力达到平衡状态,因此,在储盖双重作用下,盖层的排替压力大于6MPa 时,就能够起到有效的阻挡作用,这进一步诠释了天然气平衡性的涵义,大气田的形成具备供、散平衡和运、阻平衡特征。因此,大气田的勘探不应局限于供、散平衡领域,在一些地区,如果运移动力和各种阻力能够达到平衡的条件,也是重要的勘探领域。

1.5 多期性

中国具有地质运动频繁的复杂特性,决定着天然气的长期和多期成藏有利于形成大规模聚集。天然气运移效率高,相对应的散失效率也高,只有长期或者多期的供给,才能保障大量的天然气聚集。例如,塔里木盆地库车坳陷克深2气藏属于古近纪至现今长期供气成藏,其奥陶系气藏属于中生代成藏及晚期原油与干酪根裂解气充注成藏;鄂尔多斯盆地古生界碳酸盐岩气藏属于中生代成藏及晚期补充供气。因此,烃源岩长期演化或者存在多套气源地区是大气田分布的有利地区。

2、勘探领域及有利勘探区带

从天然气聚集与分布的5大特性来看,从盆地中心向边缘或者从深层向浅层,在烃源岩区、近源致密砂岩、盆地边缘和浅层的构造带皆具有成藏的可能(如下图)。

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其中,海相盆地碳酸盐岩礁滩和岩溶、海陆过渡盆地和湖沼盆地大面积致密砂岩、盆地周缘冲断带、页岩和煤层、火山岩天然气大规模聚集的有利领域(如下图),目前已获得重要发现,是现实的重要勘探方向;而在盆地浅层、永久冻土层虽然还未获得重大突破,但从天然气聚集分布5大特性来看,这些领域具有较好的成藏序列,是重要的潜在领域。

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2.1 海相盆地碳酸盐岩礁滩和古隆起岩溶海相盆地碳酸盐岩属于深埋聚气旋回,主要发育生成-运移-聚集-成藏模式。

烃源岩丰富,深埋之后可以形成大量裂解气,同时早期油藏在深埋作用下也

发生原油裂解,形成新的气源,为大气田形成奠定了坚实的物质基础,并且由于碳酸盐岩形成时间早,历经多期构造活动,风化溶蚀储集层发育,随着持续沉降仍能保持良好的储集性,在上覆地层厚度不断加大及成岩作用不断增强条件下,还可以形成有效的封盖层,因此,具备优越的成藏条件。总体上以碳酸盐岩古风化壳岩溶、碳酸盐岩礁滩及层状白云岩储集层3大类气藏为主。

从目前勘探实践来看,碳酸盐岩古风化壳岩溶气藏分布广泛,已发现和田河、靖边、塔中Ⅰ号等大气田,储集空间为溶蚀溶洞和裂缝;碳酸盐岩礁滩大气田目前主要发现四川盆地普光、罗家寨气田以及塔里木盆地塔中Ⅰ号等气田,储集层空间主要为礁滩原生孔隙和溶蚀缝洞;白云岩储集层缝洞系统特别是大中型溶洞体系不如石灰岩发育,但基质孔隙及次生溶孔仍具有较好的储集能力,是值得探索的领域。

中国海相碳酸盐岩分布广阔,有利勘探区带丰富,塔里木盆地塔中凸起区东段下奥陶统古风化壳、塔北古隆起牙哈—英买力地区带寒武系古风化壳岩溶、四川盆地龙岗西台缘带、鄂西—城口海槽西侧台缘带、川中—蜀南台内礁滩、鄂尔多斯盆地靖西和东南部等古风化壳岩溶发育区是下一步勘探的有利区带。

2.2 近源大面积致密砂岩

该类型主要分布于海陆过渡满盆聚气旋回和反转构造聚气旋回,主要为生成-运移-聚集模式。海陆过渡满盆地聚气旋回为海陆过渡环境,低平宽缓的构造背景下,湖相和三角洲相规模大、分布广,砂体与泥岩在垂向上交替发育,储集层与烃源层在纵向上呈广覆式“三明治”式叠置分布,在横向上交互镶嵌接触,平面分布较为稳定。该背景下烃源岩生成的天然气就近进入储集层,并且由于砂岩物性较差,可以阻挡大量天然气的快速散失,为天然气大范围聚集并通过人工改造达到工业开采价值提供了条件。

由于该类天然气只是经过了初次运移,并处于大面积汇聚过程中,而未达到成藏范畴,因此属于生成-运移-聚集系列大型气田。如鄂尔多斯盆地古生代晚期沉积背景是陆表海环境,沉积速率较小,构造沉降速度也较小,砂岩储集层形成于浅水海相三角洲或浅水湖相三角洲,形成大范围分布的储集砂体,烃源岩和砂体表现为薄层交互分布特征。在这种储集砂体与煤系烃源岩呈互层分布环境,已探明了苏里格、乌审旗和榆林等大气田。

反转构造聚气旋回虽然为构造活动剧烈的断陷和造山环境,但在局部深凹地带存在类似于海陆过渡满盆地聚气旋回的地质环境,例如吐哈盆地台北凹陷侏罗系和塔里木盆地库车断陷北段侏罗系,也具有形成大面积致密砂岩气的条件,是重要的勘探领域。

中国大面积砂岩岩性气藏分布广泛,勘探潜力较大。鄂尔多斯盆地中东部、高桥和东南部石炭—二叠系,四川盆地广安—营山、安岳—合川和西充—仁寿须家河组,吐哈盆地台北凹陷以及塔里木盆地库车坳陷侏罗系已取得重要发现,是大面积致密砂岩气藏勘探的有利区带。

2.3 前陆冲断带

该领域主要分布于反转构造聚气旋回,主要为生成-运移-聚集成藏模式,受新特提斯洋扩张和关闭以及西伯利亚板块南移的影响,中国中生代晚期断陷和造山环境交替发育,因此断陷湖相泥岩和沼泽煤系烃源岩发育,具有良好生气条件,同时逆冲构造圈闭发育,提供了良好聚集成藏的场所,具备构成生成-运移-聚集-成藏序列条件。

中西部前陆盆地冲断带天然气资源量近10×1012 m3,累计探明天然气地质储量近1×1012m3,勘探潜力巨大。塔里木盆地库车山前带、塔西南山前带已经取得重大突破,准噶尔盆地南缘天山山前带,四川盆地川西山前带、川西北山前带,鄂尔多斯盆地西缘和柴达木盆地柴北缘5个山前带宏观上具有与库车坳陷相似的成藏条件,是未来重要的勘探区带。

2.4 近源火山岩

各个旋回中发育的火山岩,是天然气较好的储集体,主要发育生成-运移-聚集-成藏模式。准噶尔盆地北部石炭系火山岩勘探面积5430km2,截至2012年底,已发现和探明地质储量1053.3×108 m3的克拉美丽大气田,近年来通过大范围的地质调查、整体研究和钻探可知,北疆石炭系火山岩储集体广泛分布,成藏条件比较优越,是未来寻找大气田的重点勘探领域。松辽盆地深层断陷火山岩勘探面积1.5×104km2,已探明徐家围子、长岭和英台等气田,表明火山岩具备良好的成藏条件,除已发现地区外,松辽盆地南部扶双大凸起带和北部的安达、徐东、肇州火山岩已获工业气流,是下步寻找大气田的有利勘探区带。

2.5 富源浅层

在中国大部分盆地的浅层发育丰富的烃源岩,虽然没有成熟,但是在细菌的作用下,能够形成生物气,同时深部的天然气也可以运移至浅层,虽然浅层的保存条件普遍较差,但在运聚平衡条件下也可以形成气藏。如西部的柴达木盆地,古近系烃源岩处于未成熟阶段,但自浅向深存在程度不等的与生化甲烷有关的三大甲烷菌类,为气田的形成提供了大量的生物气,同时由于砂岩和泥岩交叠分布,对天然气的流失起到了很好的阻挡作用,为大型气田形成提供了良好条件。

在鄂尔多斯、河套、松辽、二连和苏北等盆地也见到了生物气,如苏北盆地的刘庄气藏,渤海湾盆地的沧1井气藏、新泉2井气藏,松辽盆地红岗气田和二连盆地的阿南气田,表明发育丰富烃源岩的浅层具备较好的勘探潜力。

2.6 煤层-页岩层

该领域是聚集成藏序列最前端的环节,在每一旋回皆有分布。表现为生成-聚集成藏模式,具有较高的聚集效率,目前发现的主要为煤层气和页岩气。中国埋深小于2000m的煤层含气面积为41.5×104km2,其中煤层气资源量大于1×1012m3的盆地有8个(伊犁、吐哈、鄂尔多斯、滇黔桂、准噶尔、海拉尔、二连和沁水盆地),是未来煤层气勘探开发的重点盆地。

近年,煤层气勘探和开发的重点区块主要有沁水盆地、鄂尔多斯盆地东部大宁—吉县地区与韩城—合阳地区、准噶尔盆地东南缘、阜新盆地刘家区块、辽宁铁法区块、沈阳北及其外围等,已发现了沁水、鄂东等煤层气田,表明煤层气勘探潜力巨大。

中国页岩气资源十分丰富,分为海相页岩气和陆相页岩气。海相页岩气主要分布在中国南方、华北、塔里木盆地和青藏地区,分布面积达170×104km2;陆相页岩气主要分布在鄂尔多斯、四川、准噶尔、吐哈、渤海湾和松辽等盆地,分布面积20×104~25×104km2,四川盆地威远地区钻探的威201井,在寒武系筇竹寺组测试获得日产1.1×104m3的页岩气,页岩气勘探前景较好。

2.7 南海、东海和陆上永久冻土层

从分布旋回和成藏序列来看,冻土层天然气水合物的天然气具有多种来源,但以生物气为主,中国南海、东海和陆上永久冻土层的天然气水合物资源丰富,目前勘探属于探索阶段。南海西沙海槽、东沙群岛南部、笔架南盆地和南沙断陷盆地等地震反射剖面多处显示存在似海底反射波,2007年在南海海域北部陆坡神狐暗沙钻井见到天然气水合物。

目前各种调查研究结果显示,南海北部陆坡区和南部陆坡区最有可能找到天然气水合物。东海冲绳海槽特别是其西南斜坡具有良好的天然气水合物形成条件,似海底反射波分布面积较广且比较典型,1990年曾有报道称在冲绳海槽发现了CO2型水合物。

中国陆上冻土面积达215×104km2,主要分布于青藏高原、大兴安岭及其他高山地区。青藏高原特别是羌塘盆地具备良好的天然气水合物成矿条件,其次是祁连山木里地区、东北漠河盆地和青藏高原的风火山等地区,亦具备成矿条件,目前已在祁连山木里地区的冻土层内发现有连续逸出的可燃气体,在其稳定带内可能存在天然气水合物,具有较好的勘探前景。

3、结论

(1)天然气聚集与分布具有旋回性、序列性、溯源性、平衡性和多期性等特点,每个大地构造沉积旋回为一个天然气成藏系统,每个系统内天然气表现为一定聚集成藏系列,源内及紧邻源岩地区以页岩、煤层及大面积致密砂岩聚集为主,远源地区以圈闭控制成藏为主,其中,源内及紧邻烃源岩地区具有较高的聚集效率。

(2)碳酸盐岩礁滩和岩溶、大面积致密砂岩、火山岩和盆地周缘冲断带4个领域已取得重要发现,塔里木盆地塔中、四川盆地台缘带、鄂尔多斯盆地靖西等地区碳酸盐岩礁滩和岩溶,鄂尔多斯盆地中东部、高桥和东南部石炭系—二叠系,四川盆地须家河组、塔里木盆地库车坳陷侏罗系等致密砂岩,准噶尔盆地石炭系和松辽盆地长岭断陷火山岩,塔里木盆地塔西南、准噶尔盆地南缘和四川盆地川西等的冲断背斜带,皆是勘探大气田的有利区带。

(3)富源浅层领域、煤层-页岩层和永久冻土层天然气勘探尚处于探索阶段,苏北盆地刘庄、渤海湾盆地新泉和松辽盆地红岗浅层,鄂尔多斯盆地东部、准噶尔盆地东南缘和阜新盆地刘家煤层,南方海相页岩,南海西沙海槽、东海冲绳海槽和青藏高原冻土层是勘探大气田的潜在有利区。